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无缝微透镜阵列LED匀光膜研究

更新时间:2016-04-05  来源:未知  有50人阅读

核心提示:本文研究不同孔径无缝微透镜阵列膜LED光线扩散的影响,分析了不同厚度和直径的三角形、四边形和六边形微透镜阵列膜的扩散效果。设计了一种复合曲面微透镜阵列,利用光线追迹方法对其进行模拟,分析微透镜阵列对LED光源发出光线扩散性能的影响。

褚才良1,朱伯明1,陈海军1,陈亮2,李晓艳2,杨凯2
1.宁波燎原灯具股份有限公司,浙江宁波,315408
2.中国计量学院,浙江 杭州 310000

摘要:本文研究不同孔径无缝微透镜阵列膜LED光线扩散的影响,分析了不同厚度和直径的三角形、四边形和六边形微透镜阵列膜的扩散效果。设计了一种复合曲面微透镜阵列,利用光线追迹方法对其进行模拟,分析微透镜阵列对LED光源发出光线扩散性能的影响。

关键词:LED;微透镜阵列;复合曲面;均匀度

CHU Cailiang1, ZHU Boming1, CHEN Haijun1, CHEN Liang2, LI Xiaoyan2, YANG Kai2
1. Liaoyuan Co., Ltd, Ningbo 315408, China;2.China Jiliang University, Hangzhou 310018,China)

Abstract:This paper uses basic principles of geometrical optics to analyze the gapless microlens array used in LED. Gapless triangular, tetragon, hexagonal and dual-curvature microlens array are studied in the paper. A new composite curved surface microlens array is designed and simulated in order to examine their light luminance and uniformity.  

Keywords:LED;microlens array;composite curved surface;uniformity  

1 引言

大功率LED应用于照明领域的需要将多个芯片集成形成以满足总光通量的需求,但是目前的多芯片集成的功率LED灯具存在一些明显的缺陷:散热不良导致LED发光效率低,同时影响LED的发光强度和使用寿命;多芯片集成后,各个芯片之间村子间隙,在一定距离内就产生光斑,形成不均匀照明;照明领域的LED都是采用高亮度白光LED,光源指向性高,容易产生眩光。传统的解决眩光和照明不均匀的方法是使用传统扩散膜、扩散板或者对灯具进行磨砂,雾化处理,会带来光效率变差或者眩光消除不佳等问题。随着现如今LED光源在各个领域的广泛应用,因此找到一种更有效的方案解决上述问题对LED在照明领域未来的发展显得尤为重要。

微透镜阵列是最重要的微光学元件中的一种,具有多种独特的光学性质。通过调整微透镜的形状、曲率半径、排布、厚度等参数,微透镜阵列扩散片可对入射光线进行整形、均匀、扩散、聚焦等调制来实现特定的功能。

2 微透镜阵列分类

微透镜阵列型扩散片根据其微透镜的面形、尺寸、占空比和厚度等的不同,可以建立不同的微透镜阵列的模型。微透镜的填充因子和形状是影响光束效率的一个重要的因素。为了得到最多的光的能量,微透镜阵列中透镜所占区域即占空比,应该尽可能的大。无缝隙微透镜阵列占空比接近100%,可以实现较高的传输效率。根据微透镜的孔径形状的不同,无缝隙微透镜阵列可以三角形微透镜、六边形微透镜、四边形微透镜和双曲率形微透镜等。

无缝微透镜阵列分析
3.1 厚度对不同孔径形状微透镜阵列影响

以单个微透镜曲率的厚度分别为10μm和20μm,孔径分别为60μm、90μm、120μm,在仿真软件中分别建立三角形微透镜、六边形微透镜、四边形微透镜模型,分析其对光效以及扩散角度的影响。

表一 三角形微透镜阵列
厚度 10μm 20μm
直径 60μm 90μm 120μm 60μm 90μm 120μm
效率 95.5% 94.5% 94.4% 94.5% 93.9% 93.8%
扩散角度 140° 130° 122 128° 118° 115°
 表二 四边形微透镜阵列
厚度 10μm 20μm
直径 60μm 90μm 120μm 60μm 90μm 120μm
光通效率 94.8% 94.7% 94.6% 94.2% 94.6% 95%
扩散角度 130° 115° 112° 100° 110° 108°
 表三 六边形微透镜阵列
厚度 10μm 20μm
直径 60μm 90μm 120μm 60μm 90μm 120μm
光通效率 94.7% 94.8% 94.8% 94% 94.7% 94.7%
扩散角度 106° 115° 132° 95° 105° 110°

图1 不同形状微透镜阵列的光学性能
 
可以得到不同的微透镜形状对扩散角度有不同的影响,如图1所示。通过对比分析,四边形孔径微透镜阵列光利用率最高,而三角孔径微透镜阵列的扩散角度最大,扩散效果最好。

3.2 一种复合曲面微透镜阵列膜设计

通过分析,可以发现三种孔径形状的微透镜阵列膜对LED发出的光线都有一定的扩散作用,但是扩散角度最大只能到130度,远远不能满足多芯片LED对消除眩光和匀光的要求。本论文提出一种新型结构的微透镜阵列膜,该微透镜为四边形孔径,微透镜单元为复合曲面透镜,其结构如图2所示,复合曲面由非球面s1和锥面s2配合构成。

在Tracepro软件中建立该微透镜阵列的三维模型,如图3所示,与多芯片LED光源一起进行光线追迹,其组合系统的发光强度曲线如图4所示,在发光强度曲线上可以看出,光束在-70度到+70度范围内发光强度比较均匀,说明光束扩散角度在140度范围内。

图2 复合曲面微透镜单元结构示意图
图3复合曲面微透镜三维示意图
图4 加上微透镜阵列膜的LED光源发光强度曲线
 
结论

本文研究了微透镜阵列型扩散片对光线的扩散作用,通过对不同类型的微透镜阵列所形成的膜进行对比,得出扩散效果好的微透镜阵列的类型。设计了一种复合曲面微透镜阵列结构,在Tracepro中建立物理模型,利用光线追迹得方法对其性质进行模拟,进而分析微透镜阵列对LED光源发出光线扩散性能的影响。
 
参考文献
[1] CT Pan etc. Fabrication of gapless dual-curvature microlens as a diffuser for a LED package[J]. Sensors and Actuators, 2009,156-167
[2] 田大垒,关荣锋,王杏,赵文卿等.基于微透镜阵列的LED光学性能[J].发光学报,2009,30(1):69-72
[3] 庄孝磊,周芳,申溯,陈林森等.层叠微透镜阵列光扩散片特性研究[J].光学学报,2010,30(11):3306-3309
[4] 沈可余,张伟,姜兆华,陈超等. LED光扩散膜转印技术的研究[J].半导体学报,2007,28:464-466
[5] D. J. S chert ler, N.George. Uniform scattering patterns from grating diffuser cascades for display applications [J].Appl. Opt., 1999, 38(2):291-303
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